Искали 50 лет: Долгое время спорили, может ли вообще существовать частица, состоящая из четырех нейтронов, - теперь физики смогли обнаружить этот тетранейтрон. Об этом свидетельствовало столкновение изотопов лития-7, при котором характерный «горб» в измеренных значениях указывал на образование тетранейтронов. Вместе с данными двух других экспериментов это делает существование «невозможной» частицы все более вероятным.
Нейтроны вместе с положительно заряженными протонами образуют основные строительные блоки всей материи - из них состоит атомное ядро. Оба основных строительных блока удерживаются вместе мощным ядерным взаимодействием и могут трансформироваться друг в друга. Нейтроны, испускаемые радиоактивными элементами, распадаются на протоны менее чем через 15 минут, в то время как экстремальные условия внутри нейтронной звезды, согласно современной теории, означают, что протоны превращаются в нейтроны.
Уже около 50 лет ведутся споры о том, существуют ли также частицы, состоящие только из нейтронов. Согласно теории, они не должны быть стабильными, поскольку это противоречило бы существующим моделям сильного ядерного взаимодействия, а также принципу запрета Паули, согласно которому фермионы не могут находиться в одном и том же состоянии в одном и том же месте. С другой стороны, существование нейтронных звезд предполагает, что должны существовать объекты, состоящие только из плотно упакованных нейтронов.
Изотоп лития как помощник в производстве
Томас Фастерманн из Технического университета Мюнхена и его коллеги теперь попытались получить и доказать спорный тетранейтрон в эксперименте. Для этого они выстрелили пучком высокоускоренных ядер лития в мишень из оксида лития и углерода. Ключевой момент: в обоих случаях атомными ядрами лития был изотоп лития-7, состоящий из трех протонов и четырех нейтронов.
«Литий-7 - ближайшее стабильное ядро к тетранейтрону», - объясняют исследователи. Чтобы произвести из него частицу из четырех нейтронов, нужно всего лишь извлечь из лития-7 три протона. Именно к этому и должно было привести столкновение в тандемном ускорителе Ван де Граафа в Мюнхенском техническом университете. Если тетранейтрон существует, при бомбардировке мишени должны образовываться как изотопы углерода-10, так и тетранейтроны.
Контрольный горб на кривой
На самом деле, физики обнаружили поразительную сигнатуру в энергиях и массах частиц, созданных в результате столкновений. Он появился в виде «горба» на кривой при 20,8 мегаэлектронвольт. Более детальный анализ показал, что этот пик нельзя объяснить ни одной из обычных частиц, а образованием тетранейтронов и возбужденных изотопов углерода-10.
«Для нас это единственное физически правдоподобное объяснение измеренных значений во всех отношениях», - объясняет Фастерманн. Согласно измерениям, тетранейтрон имеет энергию связи 0,42 мегаэлектронвольт, что хорошо согласуется с теоретически определенными значениями. Согласно этому, такая частица, состоящая из четырех нейтронов, будет оставаться стабильной в течение примерно 450 секунд, прежде чем она распадется на протоны и другие элементарные частицы при бета-распаде.
Показания тетранейтрона подтверждены
Значимость результатов в 99,7% или трех сигм недостаточно для официального открытия - для этого понадобились бы пять сигм. Поэтому измерения должны быть дополнительно уточнены и проверены. С другой стороны, это не первое указание на существование тетранейтронов: около 20 лет назад французские физики получили свидетельство существования частицы, состоящей из четырех нейтронов, при бомбардировке углерода ядрами бериллия-14, но не смогли доказать, что эти нейтроны были соединены были.
2016 Однако эксперимент в Японии также предоставил доказательства существования тетранейтрона. Исследователи бомбардировали гелий-4 ядрами гелия-8. В данных измерений крошечная пауза, длившаяся всего лишь десять триллионных долей секунды, указывала на то, что могло быть высвобождено четыре связанных, а не отдельных нейтрона. В совокупности эти эксперименты подтверждают подозрение, что долгожданный тетранейтрон действительно существует.